MXPA06011916A - Bateria que emplea una caja de polimero termicamente conductor. - Google Patents

Bateria que emplea una caja de polimero termicamente conductor.

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John Smaga
Ronald Himmler
Lin R Higley
Marshall D Muller
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Ovonic Battery Co
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Abstract

Una bateria que tienen por lo menos un grupo de elementos generadores de energia electrica, cada uno que comprende por lo menos un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador; y una caja de bateria que contiene el grupo de elementos generadores de energia electrica. La caja de bateria se forma de una mezcla, que incluye un material de matriz seleccionado del grupo que consiste de plasticos, polimeros, resinas o combinaciones de los mismos. La mezcla ademas incluye un material electricamente aislante, termicamente conductor, distribuido por todo el material de matriz. El material termicamente conductor tiene una conductividad termica de por lo menos un orden de magnitud mas alto que la conductividad termica del material de matriz. La presente invencion tambien incluye cajas de bateria (tapas y contenedores) utilizadas en la fabricacion de las baterias y formadas de la mezcla.

Description

un tiempo de vida de la batería de solo aproximadamente 20,000 millas. Las baterías de níquel-hidruro de metal ("baterías de Ni-MH") son muy superiores a las baterías de plomo-ácido y las baterías de Ni-MH son la batería ideal disponible para vehículos eléctricos, vehículos híbridos y otras formas de propulsión vehicular. Por ejemplo, las baterías de Ni-MH, tales como aquellas descritas en la patente norteamericana No. 5,277,999, la descripción de la cual es incorporada en la presente por referencia, tiene una densidad de energía mucho más alta que las baterías de plomo-ácido, pueden impulsar un vehículo eléctrico arriba de 250 millas antes de requerir recarga, pueden ser recargadas en 15 minutos, y no contienen materiales tóxicos. La investigación extensiva se ha conducido en el pasado en mejorar los aspectos electroquímicos de la capacidad de energía y carga de los materiales de Ni-MH, que se discute en detalle en las patentes norteamericanas Nos. 5,096,667, 5,104,617, 5,238,756 y 5,277,999, los contenidos de las cuales son incorporados en la presente por referencia. Hasta recientemente los aspectos mecánicos y térmicos del desempeño de las baterías Ni-MH se han descuidado. Por ejemplo, en vehículos eléctricos y en vehículos híbridos, el peso de las baterías es un factor significante. Por esta razón-, la reducción del peso de las baterías individuales es una consideración significante en el diseño de baterías para vehículos eléctricos e híbridos. El peso de la batería debe ser reducido mientras que todavía proporcione los requerimientos mecánicos necesarios de la batería (es decir, facilidad de transporte, robustez, integridad estructural, etc.). Las aplicaciones de vehículo eléctrico y de vehículo híbrido introducen un requerimiento crítico para el manejo térmico. Las celdas electroquímicas individuales se colocan conjuntamente en estrecha proximidad y muchas celdas son eléctricamente acopladas conjuntamente. Por lo tanto, puesto que hay una tendencia inherente para generar calor significante durante la carga y descarga, un diseño de batería trabajable para vehículos eléctricos e híbridos se estima por si o no el calor generado es suficientemente controlado. Las fuentes de calor son principalmente triplicadas. Primero, el calor ambiental debido a la operación del vehículo en climas calientes. Segundo, el calentamiento resistivo o I2R en la carga y descarga, donde I representa la corriente que fluye dentro o fuera de la batería y R es la resistencia de la batería. Tercero, una cantidad tremenda de calor es generado durante la sobrecarga debido a la recombinación del gas . En el pasado, las baterías de Ni-MH emplearon cajas de batería de metal hechas de tales materiales como aluminio, níquel y acero inoxidable. Estas cajas proporcionaron a las baterías con una ruta eficiente para la remoción del calor interno por la vía de la conductividad térmica excelente de estos metales. Por lo tanto, no fue muy difícil proporcionar a las baterías y módulos (paquetes) de tales baterías con enfriamiento térmico efectivo aún cuando solamente una porción de la caja fue expuesta al medio de enf iamiento. Hoy en día, en un esfuerzo para reducir el peso de tales baterías (particularmente en aplicaciones de vehículos), las cajas para estos tipos de baterías (y módulos) se hacen de plástico. Los plásticos específicos y/o mezclas/aleaciones que se han utilizado hasta ahora son elegidos por sus propiedades físicas. Las propiedades dieléctricas y la resistencia química al medio ambiente y la química interna de las celdas electroquímicas. Desafortunadamente, estos plásticos generalmente tienen conductividad térmica relativamente baja, y como tales su uso generalmente coloca varias limitaciones sobre la habilidad de las baterías para ser enfriadas eficientemente, y por lo tanto se necesitan sistemas más elaborados para proporcionar tanto la integridad estructural como el manejo térmico de las baterías . Lo que se necesita en la técnica son baterías hechas con cajas de peso ligero que son formadas de mezclas de plástico de peso ligero que tengan las propiedades mecánicas, dieléctricas y de resistencia química requeridas para tales cajas de batería y adicionalmente tengan conductividad térmica aumentada. Estas baterías harán más fácil manejar térmicamente las baterías, módulos de batería y paquetes de batería (por la vía del enfriamiento con gas y/o refrigerante líquido) al proporcionar facilidad y uniformidad del enfriamiento y flexibilidad de las opciones de diseño de enfriamiento . BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención incluye una batería que tiene por lo menos un grupo de elementos generadores de energía eléctrica cada uno que comprende por lo menos un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador; y una caja de batería que contiene el grupo de elementos generadores de energía eléctrica. La caja de batería se forma de una mezcla que incluye un material de matriz seleccionado del grupo que consiste plásticos, polímeros, resinas o combinaciones de los mismos. La mezcla además incluye un material térmicamente conductor que tiene una conductividad térmica de por lo menos un orden de magnitud más alto que la conductividad térmica del material de matriz. La presente invención también incluye cajas de baterías (tapas y contenedores) utilizadas en la fabricación de las baterías y formadas de la mezcla. El material de matriz polimérico puede ser por lo menos un polímero seleccionado del grupo que consiste de policarbonato, polietileno, polipropoleno, acrilicos, vinilos, fluorocarbonos , poliamidas, poliolefina, poliésteres , sulfuro de polifenileno, otros polifenríenos , óxido de fenileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, polímeros ' de cristal líquido y combinaciones, mezclas, aleaciones o copolímeros de los mismos. Se prefiere particularmente una mezcla de éter de polifenileno/poliestireno y una mezcla de polipropileno/éter de polifenileno . El material eléctricamente aislante, térmicamente conductor puede ser distribuido dentro del material de matriz en una manera de modo continuo (es decir mallas o esterillas bi o tri dimensionales) , discontinuo (es decir, material particular o fibroso) o mezclados. Ejemplos del material eléctricamente aislante, térmicamente conductor, adecuado incluyen óxido de calcio, óxido de titanio, óxido de silicio, óxido de zinc, nitruro de silicio, nitruro de aluminio y nitruro de boro y mezclas de los mismos. Se prefiere particularmente nitruro de boro particulado. BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una ilustración de esquemática de un ejemplo de una caja de batería secundaria de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la Figura 2 representa una modalidad de la batería de la presente invención que incluye un contenedor de batería rectangular formado de un material polimérico de conductividad térmica aumentada; la Figura 3 es una vista en perspectiva de una caja de batería de tipo monobloque o de tipo de módulo de multi-celdas de acuerdo con todavía otra modalidad de la presente invención; la Figura 4 es una vista en perspectiva de otra caja de batería de tipo monobloque o de tipo de módulo de multi-celdas de cuerdo con todavía otra modalidad de la presente invención; la Figura 5 representa una batería de tipo monobloque o de tipo de módulo de multi-celdas de acuerdo con una modalidad adicional de la presente invención. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION La presente invención incluye cajas de batería formadas de un material polimérico que tienen conductividad térmica aumentada y baterías que incluyen tales cajas. Las ilustraciones esquemáticas de ejemplos de baterías secundarias y sus cajas que engloban la presente invención se muestran en las Figuras 1 a 5; sin embargo, la presente invención no está limitada a estas modalidades. La Figura 1 ilustra una caja de batería de la presente invención que comprende un contenedor de 1 y una tapa 2 que se forman del material polimérico de conductividad térmica aumentada. La tapa 2 sé proporciona con una terminal de electrodo negativo 3 y una terminal de electrodo positivo 4. El contenedor 1 y la tapa 2 se soldán mediante la unión por fusión o en estado fundido con calor u otros medios tal como la soldadura de vibración o sónica. La Figura 2 representa una modalidad de la batería 10 de la presente invención que incluye un contenedor de batería rectangular 1 formada del material polimérico de conductividad térmica aumentada. La batería contiene un grupo de electrodos 11 y un electrolito. El grupo de electrodos comprende placas de electrodo positivo y negativo y separadores que están apilados uno sobre el otro. Una tapa 2 del mismo material polimérico de conductividad térmica aumentada como aquel del contenedor 1 se sóida a la abertura superior del contenedor de batería 1. La tapa 2 incluye una terminal positiva 4 y una terminal positiva 3 hechas de un material eléctricamente conductor y una ventilación de seguridad 6. Las Figuras 3 y 4 representan contenedores para baterías de tipo de monobloque o de tipo de módulo de multi-celdas de acuerdo con modalidades adicionales de la presente invención. El contenedor 1, que se forma del material polimérico de conductividad térmica aumentada, tiene una pluralidad de compartimientos de celdas 5 unificados en una sola caja. El contendor 1 comprende cuatro paredes laterales 13a, 13b, 13c y 13d y una pared de fondo 12 (no mostrada) integrada conjuntamente para proporcionar una caja rectangular con un lado superior opuesto a la pared del fondo 12 que está abierta. El contenedor 1 además comprende una pluralidad de paredes de partición 15 proporcionadas dentro del contenedor 1 para proporcionar compartimientos de celdas 5 en el cual se insertan las celdas electroquímicas. La Figura 5 representa una batería de tipo monobloque o de tipo módulo de multi-celdas de acuerdo con una modalidad adicional de la presente invención. La batería incluye una caja que tiene un contenedor 1 y una tapa 2, que se sellan conjuntamente. La batería también incluye la terminal del electrodo positivo 4 y una terminal de electrodo 3. La batería demás incluye una ventilación de seguridad 6. Adicionalmente, aunque no específicamente requerido para practicar la presente invención, las modalidades en las figuras 2, 4 y 5 también muestran características de manejo estructural/térmico adicionales., es decir, rebordes 16 y/o relieves 17. Las cajas de batería (que significan la combinación del contenedor 1 y la tapa 2) de las baterías se forman a partir de una mezcla que incluye un material de matriz y un material eléctricamente aislante, térmicamente conductor distribuido por todo el material de matriz. El material de matriz puede ser cualquiera de plásticos, polímeros, resinas o combinación de los mismos. El material térmicamente conductor tiene una conductividad térmica de por lo menos un orden de magnitud más alto que la conductividad térmica del material de matriz. El material de matriz de polímero puede ser cualquiera de los materiales conocidos para formar cajas de batería de plástico, y específicamente puede incluir por lo menos un polímero seleccionado del grupo que consiste de policarbonato, polietileno, polipropoleno, acrílicos, vinilos, fluorocarbonos , poliamidas, poliolefina, poliésteres, sulfuro de polifenileno, éter de polifenileno, oxide de polifenileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, polímeros de cristal líquido y combinaciones, mezclas, aleaciones o copolímeros de los mismos. Se prefiere particularmente la mezcla de éter de polifenileno/poliestireno y una mezcla de polipropileno/éter de polifenileno . El material eléctricamente aislante, térmicamente conductor puede ser distribuido dentro del material de matriz en una manera de modo continuo, discontinuo o mezclado. Ejemplos de distribuciones discontinuas incluyen material particular o fibroso. Ejemplos de distribución continua incluyen mallas o esterillas bi o tri dimensionales . Ejemplos del material eléctricamente aislante, térmicamente conductor, adecuado incluye óxido de calcio, óxido de titanio, óxido de silicio, óxido de zinc, nitruro de silicio, nitruro de aluminio y nitruro de boro y mezclas de los mismos. Se prefiere particularmente nitruro de boro particulado. El propósito del material eléctricamente aislante, térmicamente conductor es incrementar la conductividad térmica total de la mezcla utilizada para formar las cajas de batería. Así el material eléctricamente aislante, térmicamente conductor debe ser incluido en una cantidad suficiente para realizar e4sta tarea. Por otra parte, demasiado del aditivo degradará las propiedades físicas importantes requeridas para producir una caja de batería útil. De preferencia la mezcla tiene una conductividad térmica por lo menos dos veces aquella del material de matriz. Más de preferencia la mezcla tiene una conductividad térmica por lo menos cinco veces a aquella del material de matriz, y mucho más de preferencia la mezcla tiene una conductividad térmica por lo menos diez veces a aquella del material de matriz. La mezcla además puede incluir un material de refuerzo para fortalecer la matriz de polímero. El material de refuerzo de preferencia está en la forma de fibras y se hace de por lo menos uno de vidrio, y minerales inorgánicos. Generalmente, el electrolito utilizado en las baterías de la presente invención puede ser cualquier electrolito acuoso o no acuoso. Un ejemplo de una celda electroquímica no acuosa es una celda de ión de ' litio que utiliza compuestos de intercalación tanto para el ánodo como para el cátodo y un electrolito orgánico liquido o polimérico. Las celdas electroquímicas acuosas se pueden clasificar ya sea como "acídicas" o "alcalinas". Un ejemplo de una celda electroquímica acídica es una celda de plomo-ácido que utiliza dióxido de plomo como el material activo del electrodo positivo y plomo metálico, en una estructura porosa de alta área de superficie, como el material activo negativo. De preferencia, la celda electroquímica de la presente invención es una celda electroquímica alcalina. El electrolito alcalino puede ser una solución acuosa de un hidróxido alcalino. De preferencia, ele electrolito alcalino puede ser una solución acuosa de hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, hidróxido de litio o mezclas de uno o más de los mismos. El electrolito alcalino puede ser un hidróxido mezclado de potasio e hidróxido de litio. El separador puede ser cualquiera de aquellos conocidos en técnica tales como hojas poliméricas porosas, etc. El separador también se puede combinar con el electrolito como también es conocido en la técnica. Esto es, el electrolito puede ser un electrolito gelificado y como tal puede servir tanto como el separador como el electrolito en un solo componente. El separador, en combinación con el electrolito debe proporcionar a la celda con conductividad iónica entre los electrodos positivo y negativo así como resistencia eléctrica entre los mismos. Generalmente, los materiales activos positivos y negativos utilizados en las baterías de la presente invención pueden ser cualquier tipo de materiales de batería activos utilizados en la técnica. Ejemplos de materiales de electrodo positivos son polvos de óxido de plomo, litio dióxido de cobalto, litio dióxido de níquel, compuestos de litio óxido de manganeso, compuestos de litio óxido de vanadio, litio óxido de hierro, compuestos de litio, es decir óxidos complejos de estos compuestos dióxidos de metal de transición, dióxido de manganeso, óxido de zinc, óxido de níquel, hidróxido de níquel, hidróxido de manganeso, óxido de cobre, óxido de molibdeno, fluoruro de carbono, etc. De preferencia el material de electrodo negativo activo es una aleación absorbente de hidrógeno. Está dentro del espíritu e intento de esta invención que se puede utilizar cualquier aleación absorbente de hidrógeno. Por consiguiente, en una modalidad de preferencia de la invención, cada celda electroquímica es una celda de níquel-hidruro de metal que comprende electrodos negativos que incluyen materiales de almacenamiento de hidrógeno como el material activo, y electrodos positivos que incluye material activo de hidróxido de níquel. Mientras que la invención se ha descrito en relación con modalidades y procedimientos preferidos, se va a entender que esto no se propuso para limitar la invención a las modalidades y procedimientos descritos. Por el contrario, se propuso cubrir todas las alternativas, modificaciones y equivalencias que pueden ser incluidas dentro del espíritu y alcance de la invención como son definidas por las reivindicaciones adjuntas en la presente y después.

Claims (18)

  1. REIVINDICACIONES 1. Una batería, caracterizada porque comprende: por lo menos un grupo de elementos generadores de energía eléctrica cada uno que comprende por lo menos un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador; y una caja de batería que contiene el grupo de elementos generadores de energía eléctrica; la caja de batería formada de una mezcla que incluye un material de matriz seleccionado del grupo que consiste de plásticos, polímeros, resinas o combinaciones de los mismos; en donde la mezcla además incluye un material eléctricamente aislante, térmicamente conductor distribuido por todo el material de matriz, y el material térmicamente conductor tiene una conductividad térmica de por lo menos un orden de magnitud más alto que la conductividad térmica del material de matriz.
  2. 2. La batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el material de matriz incluye por lo menos un polímero seleccionado del grupo que consiste de policarbonato, polietileno, polipropoleno, acrílicos, vinilos, fluorocarbonos, poliamidas, poliolefina, poliésteres, sulfuro de polifenileno, éter de polifenileno, óxido de polifenileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, polímeros de cristal líquido y combinaciones, mezclas, aleaciones o copolimeros de los mismos.
  3. 3. La batería de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el por lo menos un polímero es una mezcla de éter de polifenileno y poliestireno.
  4. 4. La batería de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el por lo menos un polímero es un polipropileno y éter de polifenileno.
  5. 5. La batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el material eléctricamente aislante, térmicamente conductor se distribuye dentro el material de matriz en una manera discontinua.
  6. 6. La batería de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque el material eléctricamente aislante, térmicamente conductor es un material particulado o fibroso.
  7. 7. La batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el material eléctricamente aislante, térmicamente conductor se distribuye dentro del material de matriz de una manera continua.
  8. 8. La batería de conformidad con la · reivindicación 7, caracterizada porque el material eléctricamente aislante, térmicamente conductor es una malla o esterilla bi o tri dimensional .
  9. 9. La batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el material eléctricamente aislante, térmicamente conductor incluye por lo menos un material seleccionado del grupo que consiste de óxido de calcio, óxido de titanio, óxido de silicio, óxido de zinc, nitruro de silicio, nitruro de aluminio y nitruro de boro.
  10. 10. La batería de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque el material eléctricamente aislante, térmicamente conductor es nitruro de boro particulado.
  11. 11. La batería de conformidad con la reivindicación I, caracterizada porque la mezcla además incluye un material de refuerzo para fortalecer la matriz de polímero.
  12. 12. La batería de conformidad con la reivindicación II, caracterizada porque el material de refuerzo está en la forma de fibras .
  13. 13. La batería de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque el material de refuerzo incluye por lo menos uno de vidrio, y minerales inorgánicos.
  14. 14. La batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el material de refuerzo es fibras de vidrio .
  15. 15. La batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la mezcla tiene una conductividad térmica por lo menos dos veces aquella del material de matriz .
  16. 16. La batería de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque la mezcla tiene una conductividad térmica por lo menos cinco veces aquella del material de matriz .
  17. 17. La batería de conformidad con la reivindicación 16, caracterizada porque la mezcla tiene una conductividad térmica por lo menos diez veces que aquella del material de matriz .
  18. 18. Una caja de batería, caracterizada porque comprende : una tapa y un contenedor; la tapa y el contenedor formados de una mezcla que incluye un material de matriz seleccionado del grupo que consiste de plásticos, polímeros, resinas o combinaciones de los mismos; en donde la mezcla además incluye un material eléctricamente aislante, térmicamente conductor distribuido por todo el material de matriz, y el material térmicamente conductor tiene una conductividad térmica de por lo menos un orden de magnitud más alta que la conductividad térmica del material de matriz.
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